一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种采用材料较少、体积小巧、结构紧凑、并能有效消除双波段系统中波段间与波段内色差的大相对孔径光学系统。该光学系统包括从物侧到焦面依次排列固联的前固定镜组、光阑、中间固定镜组、后固定镜组和探测器；前固定镜组、光阑、中间固定镜组和后固定镜组的中心轴线同轴；所述前固定镜组具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜；中间固定镜组具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜和第三负透镜；光阑固定位在第三负透镜与第二正透镜之间；后固定镜组为第三正透镜。

A short wave and long wave infrared dual band confocal optical system with large relative aperture

The utility model provides a large relative aperture optical system with less material, compact size, compact structure, and can effectively eliminate the chromatic aberration between the waveband and the waveband in the dual band system. The optical system includes from the object side to the focal plane are arranged fixedly connected to the front fixing lens group, a diaphragm, intermediate fixed lens group, fixed lens and detector; coaxial central axis front fixing lens group, a diaphragm, intermediate fixed lens group and fixed lens group; the front fixing lens group having positive optical power in degrees, including from the object side to the focal plane direction on the central axis of the coaxial first positive lens, which are arranged in the first negative lens and second negative lens; intermediate fixed lens group having negative refractive power, including from the object side to the focal plane direction on the central axis of the coaxial arranged second positive and third negative lens lens the diaphragm is positioned between the fixed; the negative lens third and second positive lens; after fixed lens group for the positive lens.

【技术实现步骤摘要】
一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统
本技术涉及一种短波红外与长波红外两个波段的光学系统设计，具体涉及一种仅使用透射元件的共光路共焦面且包含短波红外0.9μm～1.7μm与长波红外8μm～12μm两个波段的光学系统设计。
技术介绍
与可见光成像相同，近红外成像通常也是对目标或背景反射辐射的探测。但由于后者波长更长，受大气散射影响较小，工作距离可以更远，而且后者还具有更好的烟雾穿透能力，就使得近红外成像具有更好的环境适应性；长波红外成像主要是对物体自身辐射特征的探测，是探测特定背景中目标红外特征的理想波段，同时，长波红外波段也具有较好的大气、烟雾等的穿透能力。因而，结合有近红外与长波段红外双波段的成像光学系统，使用近红外探测背景，长波红外探测目标，获得目标与背景的更多信息，可以有效改善系统环境适应性、提高目标背景成像对比度、对抗红外隐身手段，实现目标探测识别辨认。近年来，集成有近红外、长波红外的双波段焦平面探测器的不断发展，也对相应光学系统设计提出了迫切需求。现有技术中采用的近红外-长波红外共光路共焦面光学系统主要是透射式系统、反射式系统和折反式系统。在采用透射元件的设计中，由于涉及到0.9μm～1.7μm与8μm～12μm将近十倍宽的两个波段，可选用的光学材料较少，这就导致整个系统波段间的色差和波段内的色差难以同时消除；在采用反射元件的设计中，现有技术多采用三反式设计结构，虽然反射式设计不存在色差及天然消热差的特性，但三反式设计加工、装调都较为困难，且相对孔径一般较大；而折反式设计为上述两种设计的折衷，好处是色差较易校正，缺点是存在中心遮拦，且需要杂散光抑制措施。另外，反射系统的中心遮拦还会影响辐射能量利用率。因此设计出具有较小F数(F#即为光圈数是入瞳口径与焦距之比的倒数，即F＝f/D)的近红外-长波红外大相对孔径光学系统，难度较大；对于一些文献公开的短波红外-长波红外双波段大相对孔径光学系统，要么相对孔径较小，要么系统结构复杂。2011年，刊载于SPIEVol.8012第801224-1～18页的美国文献《RefractiveLensDesignforSimultaneousSWIRandLWIRImaging》公开了一种短波红外与长波红外共孔径共焦面集成的光学系统。该系统针对对角线长20mm、25μm像元的非制冷短波-长波红外双波段焦面探测器，焦距50mm，F数为1，共采用了5种红外材料，11片透镜，且至少含有两面非球面，这就导致整个光学系统装调工艺复杂，系统透过率偏低，加工成本偏高，另外该镜头总长达240mm，总长较长，不利于光学系统的小型化集成。2013年，刊载于OpticalEngineering第56卷第6期，第061308-1～11页的美国文献《Opticaldesignofcommonaperture，commonfocalplane，multispectralopticsformilitaryapplications》公开了若干种短波-长波红外共孔径共焦面集成的光学系统。文中公开的透射式光学系统，在焦距为50mm的情况下，F数为1.4或1.6，且都至少采用了三面非球面，有的设计还使用了金刚石(diamond)、碘化铯(CsI)、溴化铯(CsBr)等加工困难或理化性质不稳定的材料，使得整个光学系统缺乏工程可实现性；另外一种采用折反式结构的镜头设计，则在焦距为50mm下，F数达到了1.3。该镜头虽然仅采用了两片多光谱ZnS透镜，但镜头各光学反射面、透射面均在两片ZnS透镜上加工实现，且镜头中还含有曼金镜元件，这些将导致整个光学系统公差严格，加工难度较大，而较大的中心遮拦，也降低了整个系统的光能利用率，在很大程度上抵消了该镜头小F数的优势；另外，该文献中还公布了一种三反的光学设计，整个光学系统焦距为50mm，F数为1.9，虽然整个系统无中心遮拦、紧凑性好，但比之透射式系统仍具有较大体积，且三个反射面均为Zernike面，也加大三反系统加工与装调的难度。
技术实现思路
本技术的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种采用材料较少，体积小巧，结构紧凑，并能有效消除双波段系统中波段间与波段内色差，尤其是0.9～1.7μm短波红外与8～12μm长波红外双波段的大相对孔径光学系统。该短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，包括从物侧到焦面依次排列固联的前固定镜组、光阑、中间固定镜组、后固定镜组和探测器；所述前固定镜组、光阑、中间固定镜组和后固定镜组的中心轴线同轴；所述前固定镜组具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜、第一负透镜和第二负透镜；所述中间固定镜组具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜和第三负透镜；所述光阑固定位在第三负透镜与第二正透镜之间；所述后固定镜组为第三正透镜；定义波段间色散系数其中，n1.3μm为材料在波长为1.3μm处的折射率，n10μm为材料在波长为10μm处的折射率；设所述短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统光焦度为前固定镜组光焦度为第一正透镜的波段间色散系统为c501，第二负透镜503的波段间色散系数为c503时，c501和c503满足以下条件式：c501＞0.05；c503＞0.1；使得能够有效校正前固定镜组内的波段内色差与波段间色差，保证双波段共焦面光学系统的色差校正能力；设中间固定镜组光焦度为第三负透镜光焦度时，和满足以下条件式：使得能够校正前固定镜组剩余的球差、彗差，平衡光学系统场曲，维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化；设后固定镜组光焦度为第三正透镜的波段间色散系数为c201时，和c201满足以下条件式：使得能够对前固定镜组与中间固定镜组从短波红外波段到长波红外波段产生的波段间色差良好地进行校正，且对与因采用摄远型结构而产生的像差良好地进行校正，并能有效校正光学系统剩余场曲。基于以上方案，本技术还进一步作了如下优化：所有透镜均采用与镜筒材料线膨胀系数相匹配的透镜材料，用以通过手动或机电主动的方式控制调焦镜组进行调焦补偿。上述光阑为固定光阑或可变光阑。在后固定镜组与探测器之间还增设滤光片。进一步的，滤光片可采用滤光片镜框或滤光片轮方式安装，其中滤光片轮用以通过手动或电动切换具备不同透过波段的滤光片，完成对目标或场景的多谱段成像。上述中间固定镜组与后固定镜组的间距能够容许根据需要插入相应的分光元件或不同波段的滤光片，即在不能获得相应双波段探测器时插入相应的分光元件进行宽波段分焦面成像、或者在需要对双波段范围内分波段成像时插入相应于不同波段的滤光片以实现共焦面多波段的成像。本技术相比于现有技术具有如下有益效果：本技术仅采用透射元件，体积小巧，结构紧凑，材料种类少，透过率高。本技术所述系统的三个透镜组镜片总数仅为五片，具有较好的公差特性及可加工特性。本技术利用光学系统设计中的摄远式结构与场镜原理，针对0.9μm～1.7μm与8μm～12μm双波段，在50mm焦距的位置时，对同一景物进行双波段成像时，无需调焦，各波段各视场的调制传递函数MTF都能保持截止频率为251p/mm时在0.55以上。光学系统最大光圈F数为1，总长小于75本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：包括从物侧(6)到焦面(1)依次排列固联的前固定镜组(5)、光阑(4)、中间固定镜组(3)、后固定镜组(2)和探测器；所述前固定镜组(5)、光阑(4)、中间固定镜组(3)和后固定镜组(2)的中心轴线同轴；所述前固定镜组(5)具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜(501)、第一负透镜(502)和第二负透镜(503)；所述中间固定镜组(3)具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜(301)和第三负透镜(302)；所述光阑(4)固定位在第三负透镜(503)与第二正透镜(301)之间；所述后固定镜组(2)为第三正透镜(201)；定义波段间色散系数

【技术特征摘要】
1.一种短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统，其特征在于：包括从物侧(6)到焦面(1)依次排列固联的前固定镜组(5)、光阑(4)、中间固定镜组(3)、后固定镜组(2)和探测器；所述前固定镜组(5)、光阑(4)、中间固定镜组(3)和后固定镜组(2)的中心轴线同轴；所述前固定镜组(5)具有正光焦度，包括在自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第一正透镜(501)、第一负透镜(502)和第二负透镜(503)；所述中间固定镜组(3)具有负的光焦度，包括自物侧至焦面方向中心轴线上同轴依次排列的第二正透镜(301)和第三负透镜(302)；所述光阑(4)固定位在第三负透镜(503)与第二正透镜(301)之间；所述后固定镜组(2)为第三正透镜(201)；定义波段间色散系数其中，n1.3μm为材料在波长为1.3μm处的折射率，n10μm为材料在波长为10μm处的折射率；设所述短波、长波红外双波段共焦面大相对孔径光学系统光焦度为前固定镜组光焦度为第一正透镜的波段间色散系统为c501，第二负透镜503的波段间色散系数为c503时，c501和c503满足以下条件式：使得能够有效校正前固定镜组内的波段内色差与波段间色差，保证双波段共焦面光学系统的色差校正能力；设中间固定镜组光焦度为第三负透镜光焦度时，和满足以下条件式：使得能够校正前固定镜组剩余的球差、彗差，平衡光学系统场曲，维持高的光学性能，并能够实现光学系统的小型化；...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲锐，杨洪涛，梅超，曹剑中，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61